Superabsorberende materiale fra Cellulose Ether

Processen og produktydelsen af ​​carboxymethylcellulose tværbundet med N,N-methylenbisacrylamid til fremstilling af superabsorberende harpiks blev undersøgt, og koncentrationen af ​​alkali, mængden af ​​tværbindingsmiddel, alkaliforetring og opløsningsmiddel blev diskuteret. Effekten af ​​dosering på produktets vandabsorptionsevne. Adsorptionsmekanismen for den vandabsorberende harpiks til vand er forklaret. Undersøgelser har vist, at vandtilbageholdelsesværdien (WRV) for dette produkt når 114 ml/g.

Nøgleord:cellulose ether; methylenbisacrylamid; forberedelse

1、Indledning

Superabsorberende harpiks er et polymermateriale med stærke hydrofile grupper og en vis grad af tværbinding. Almindelige vandabsorberende materialer såsom papir, bomuld og hamp har lav vandabsorptionshastighed og dårlig vandophobningskapacitet, mens superabsorberende harpikser kan absorbere vand dusinvis af gange deres egen vægt, og gelen, der dannes efter absorbering af vand, vil ikke dehydrere selv. med let tryk. Fremragende vandtilbageholdelsesevne. Det er hverken opløseligt i vand eller i organiske opløsningsmidler.

Der er et stort antal hydroxylgrupper, carboxylgrupper og natriumhydrationer på molekylkæden af ​​det superabsorberende materiale lavet af cellulose. Efter at have absorberet vand er vandet omgivet af et hydrofilt makromolekylært netværk og kan tilbageholdes under eksternt tryk. Når vand fugter adsorptionsharpiksen, dannes et lag af semipermeabel membran mellem harpiksen og vandet. På grund af den høje koncentration af mobile ioner (Na+) i den vandabsorberende harpiks, ifølge Donnan's ligevægtsprincip kan denne ionkoncentrationsforskel forårsage osmotisk tryk. Dårlig, danner en fugtende og kvældende svag kraft, vand passerer gennem dette lag af semipermeabel membran og kombineres med hydrofile grupper og ioner på makromolekylerne i den superabsorberende harpiks, hvilket reducerer koncentrationen af ​​mobile ioner, og viser derved høj vandabsorption og kvældning. Denne adsorptionsproces fortsætter, indtil den osmotiske trykforskel forårsaget af forskellen i koncentrationen af ​​mobile ioner er lig med modstanden mod yderligere ekspansion forårsaget af den kohæsive kraft af polymerharpiksens molekylære netværk. Fordelene ved superabsorberende harpiks fremstillet af cellulose er: moderat vandabsorptionshastighed, hurtig vandabsorptionshastighed, god saltvandsresistens, ikke-toksisk, let at justere pH-værdi, kan nedbrydes i naturen og lave omkostninger, så det har en bred række anvendelser. Det kan bruges som vandblokerende middel, jordforbedringsmiddel og vandtilbageholdende middel i industri og landbrug. Derudover har det gode udviklings- og anvendelsesmuligheder inden for sundhed, fødevarer, mikrobiologi og medicin.

2. Eksperimentel del

2.1 Eksperimentelt princip

Fremstillingen af ​​bomuldsfiber superabsorberende harpiks er hovedsageligt at danne en tværbundet struktur med en lav grad af substitution på fiberhuden. Tværbinding til forbindelser, der generelt har to eller flere reaktive funktionelle grupper. De funktionelle grupper, der er i stand til at tværbinde, omfatter vinyl, hydroxyl, carboxyl, amid, syrechlorid, oxiran, nitril osv. Vandabsorptionsforholdet for superabsorberende harpikser fremstillet med forskellige tværbindingsmidler er forskelligt. I dette eksperiment bruges N,N-methylenbisacrylamid som et tværbindingsmiddel, herunder følgende trin:

(1) Cellulose (Rcell) reagerer med alkalisk opløsning for at generere alkalicellulose, og alkaliseringsreaktionen af ​​cellulose er en hurtig eksoterm reaktion. Sænkning af temperaturen er befordrende for dannelsen af ​​alkalifibre og kan hæmme deres hydrolyse. Tilsætning af alkoholer kan øge forstyrrelsen af ​​cellulose, hvilket er gavnligt for alkalisering og efterfølgende etherificering.

RcellOH+NaOH→RcellONa+H2O

(2) Alkalicellulose og monochloreddikesyre genererer natriumcarboxymethylcellulose, og etherificeringsreaktionen hører til den nukleofile substitutionsreaktion:

RcellONa+ClCH2COONa→RcellOCH2COONa+NaCl

(3) N,N-methylenbisacrylamid tværbundet for at opnå en superabsorberende harpiks. Fordi der stadig er et stort antal hydroxylgrupper på molekylkæden af ​​carboxymethylfiber, kan ioniseringen af ​​hydroxylgruppen af ​​cellulose og ioniseringen af ​​acryloyl-dobbeltbindingen på molekylkæden af ​​N, N-methylenbisacrylamid udløses under handlingen af alkalikatalyse, og derefter Tværbinding mellem cellulosemolekylære kæder sker gennem Michael-kondensering og gennemgår straks protonudveksling med vand for at blive en vanduopløselig cellulose-superabsorberende harpiks.

2.2 Råvarer og instrumenter

Råmaterialer: absorberende bomuld (skåret i linters), natriumhydroxid, monochloreddikesyre, N, N-methylenbisacrylamid, absolut ethanol, acetone.

Instrumenter: trehalset kolbe, elektrisk omrører, tilbagesvaler, sugefilterkolbe, Buchner-tragt, vakuumtørreovn, cirkulerende vandvakuumpumpe.

2.3 Fremstillingsmetode

2.3.1 Alkalisering

Tilsæt 1 g absorberende bomuld til den trehalsede flaske, tilsæt derefter en vis mængde natriumhydroxidopløsning og absolut ethanol, hold temperaturen under stuetemperatur og omrør et stykke tid.

2.3.2 Eterificering

Tilsæt en vis mængde chloreddikesyre og omrør i 1 time.

2.3.2 Tværbinding

I det senere etherificeringstrin blev N,N-methylenbisacrylamid tilsat i forhold til at udføre tværbinding og omrørt ved stuetemperatur i 2 timer.

2.3.4 Efterbehandling

Brug iseddike til at justere pH-værdien til 7, vask saltet væk med ethanol, vask vandet væk med acetone, filtrer med sug og vakuumtørre i 4 timer (ved ca.°C, vakuumgrad 8,8 kPa) for at opnå et hvidt bomuldsfilamentprodukt.

2.4 Analytisk testning

Vandabsorptionshastigheden (WRV) bestemmes ved sigtning, det vil sige, at 1 g af produktet (G) tilsættes til et bægerglas indeholdende 100 ml destilleret vand (V1), udblødt i 24 timer, filtreret gennem en 200-mesh rustfri stålsigte , og vandet i bunden af ​​skærmen opsamles (V2). Beregningsformlen er som følger: WRV=(V1-V2)/G.

3. Resultater og diskussion

3.1 Valg af alkaliseringsreaktionsbetingelser

I processen med fremstilling af alkalicellulose ved indvirkning af bomuldsfibre og alkalisk opløsning har procesbetingelserne en væsentlig indflydelse på produktets ydeevne. Der er mange faktorer i alkaliseringsreaktionen. For at lette observationen er den ortogonale eksperimentdesignmetode vedtaget.

Andre betingelser: Opløsningsmidlet er 20 ml absolut ethanol, forholdet mellem alkali og etherificeringsmiddel (mol/md) er 3:1, og tværbindingsmidlet er 0,05 g.

De eksperimentelle resultater viser, at: primær og sekundær sammenhæng: C>A>B, det bedste forhold: A3B3C3. Koncentrationen af ​​lud er den vigtigste faktor i alkaliseringsreaktionen. Den høje koncentration af lud er befordrende for dannelsen af ​​alkalicellulose. Det skal dog bemærkes, at jo højere koncentrationen af ​​lud er, jo større er saltindholdet i den fremstillede superabsorberende harpiks. Når du vasker saltet med ethanol, skal du derfor vaske det flere gange for at sikre, at saltet i produktet fjernes, for ikke at påvirke produktets vandoptagelsesevne.

3.2 Effekt af tværbindingsmiddeldosering på produkt WRV

Forsøgsbetingelserne er: 20 ml absolut ethanol, 2,3:1 forhold mellem alkali og etherificeringsmiddel, 20 ml lud og 90 minutter alkalisering.

Resultaterne viste, at mængden af ​​tværbindingsmiddel påvirkede tværbindingsgraden af ​​CMC-Na. Overdreven tværbinding fører til en tæt netværksstruktur i produktrummet, som er karakteriseret ved lav vandabsorptionshastighed og dårlig elasticitet efter vandabsorption; når mængden af ​​tværbindingsmiddel er lille, er tværbindingen ufuldstændig, og der er vandopløselige produkter, som også påvirker vandabsorptionshastigheden. Når mængden af ​​tværbindingsmiddel er mindre end 0,06 g, øges vandabsorptionshastigheden med stigningen i mængden af ​​tværbindingsmiddel, når mængden af ​​tværbindingsmiddel er mere end 0,06 g, falder vandabsorptionshastigheden med mængden af ​​tværbindingsmiddel. Derfor er doseringen af ​​tværbindingsmiddel ca. 6% af bomuldsfibermassen.

3.3 Effekt af etherificeringsbetingelser på produkt WRV

De eksperimentelle betingelser er: alkalikoncentration 40%; alkalivolumen 20 ml; absolut ethanol 20 ml; tværbindingsmiddel dosis 0,06 g; alkalisering 90 min.

Ud fra den kemiske reaktionsformel skal alkali-ether-forholdet (NaOH:CICH2-COOH) være 2:1, men den faktiske mængde alkali, der anvendes, er større end dette forhold, fordi der skal garanteres en vis fri alkalikoncentration i reaktionssystemet , fordi: visse En højere koncentration af fri base er befordrende for afslutningen af ​​alkaliseringsreaktionen; tværbindingsreaktionen skal udføres under alkaliske betingelser; nogle bivirkninger forbruger alkali. Men hvis mængden af ​​alkali tilsættes for meget, vil alkalifiberen blive alvorligt nedbrudt, og samtidig reduceres effektiviteten af ​​etherificeringsmidlet. Eksperimenter viser, at forholdet mellem alkali og ether er ca. 2,5:1.

3.4 Indflydelse af opløsningsmiddelmængde

De eksperimentelle betingelser er: alkalikoncentration 40%; alkali dosis 20ml; alkali-ether-forhold 2,5:1; tværbindingsmiddel dosis 0,06g, alkalisering 90min.

Opløsningsmidlet vandfri ethanol spiller rollen som dispergering, homogenisering og opretholdelse af opslæmningstilstanden af ​​systemet, hvilket er fordelagtigt til at sprede og overføre den varme, der frigives under dannelsen af ​​alkalicellulose, og kan reducere hydrolysereaktionen af ​​alkalicellulose og derved opnå ensartet cellulose. Men hvis mængden af ​​tilsat alkohol er for meget, vil alkali- og natriummonochloracetatet opløses i det, koncentrationen af ​​reaktanter vil falde, reaktionshastigheden vil falde, og det vil også have en negativ effekt på den efterfølgende tværbinding. Når mængden af ​​absolut ethanol er 20 ml, er WRV-værdien stor.

Sammenfattende er de mest egnede betingelser for fremstilling af superabsorberende harpiks fra absorberende bomuldsbasisk og foretret carboxymethylcellulose tværbundet med N,N-methylenbisacrylamid: alkalikoncentration 40 %, opløsningsmiddelfri 20 ml vand og ethanol, forholdet mellem alkali og ether er 2,5:1, og dosis af tværbindingsmiddel er 0,06 g (6 % af mængden af ​​bomuldslinters).